渤海灣X油田氣云區(qū)地震資料關(guān)鍵處理技術(shù)研究

夏同星,劉　壘,明　君,周學(xué)鋒

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津塘沽300452)

氣云區(qū)地震資料處理是地球物理界公認(rèn)的世界級(jí)難題。根據(jù)地震波傳播理論,由于氣云區(qū)的存在,地震波能量被嚴(yán)重吸收衰減,地震資料信噪比較低,難以保障成像質(zhì)量,同時(shí),由于氣云區(qū)粘滯氣體空間分布不均勻,導(dǎo)致地層速度橫向變化較大且無(wú)明顯規(guī)律可循,給處理過(guò)程中高精度速度建模和偏移成像帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

針對(duì)氣云區(qū)地震資料的成像處理,通常解決思路有3種:①根據(jù)氣云空間展布特征,設(shè)計(jì)合理觀測(cè)系統(tǒng),最大限度規(guī)避氣云區(qū)對(duì)地震波傳播的影響,包括采集方向、最大和最小偏移距、氣槍震源容量等參數(shù)[1-2];②優(yōu)化常規(guī)縱波成像處理流程,針對(duì)氣云區(qū)對(duì)地震波吸收衰減等問(wèn)題,開(kāi)展針對(duì)性處理研究,最大限度提高氣云區(qū)成像質(zhì)量[3-6];③開(kāi)展多波勘探及多波成像技術(shù)研究,氣體的存在對(duì)體積模量影響嚴(yán)重,而對(duì)剪切模量影響則不大,因此,理論上可以通過(guò)橫波勘探來(lái)解決氣云區(qū)模糊帶內(nèi)的地震成像問(wèn)題[7-13]。思路①和思路③都是從地震資料采集入手。本文以X油田現(xiàn)有地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),按照思路②進(jìn)行研究,通過(guò)多種關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用,最大限度提高氣云區(qū)地震資料的成像質(zhì)量。

1　油田情況及資料介紹

X油田位于郯廬斷裂帶的東支,渤南凸起帶中—東段的結(jié)合部,是渤海灣盆地發(fā)現(xiàn)的特大型整裝油田。

受郯廬斷裂帶活動(dòng)影響,在油田主體區(qū)附近發(fā)育面積約20km2的氣云區(qū),從均方根振幅屬性圖上看到氣云區(qū)呈NNE向條帶狀分布,氣云區(qū)內(nèi)地震波能量被嚴(yán)重吸收衰減(圖1)。從過(guò)X-C井的地震剖面上可看出,氣云非常發(fā)育,氣云區(qū)模糊帶范圍較大,由淺至深地震剖面基本上無(wú)法成像(圖2)。X油田X-C井鉆井揭示純油層共157.7m,但是由于該井位于氣云區(qū),難以利用地震資料對(duì)井區(qū)目的層構(gòu)造和儲(chǔ)層進(jìn)行準(zhǔn)確描述,從而影響了油田的高效開(kāi)發(fā)。

圖1　均方根振幅屬性

圖2　過(guò)X-C井地震剖面

2　關(guān)鍵處理技術(shù)

氣云區(qū)成像難點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一為地震波能量被嚴(yán)重吸收衰減,導(dǎo)致氣云區(qū)內(nèi)資料的信噪比較低,難以保障后續(xù)的成像質(zhì)量;二為氣體分布不均勻,導(dǎo)致速度橫向變化且無(wú)明顯規(guī)律可循,難以建立高精度速度模型。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題,本文研究了Q值層析反演(Qtomo)能量補(bǔ)償技術(shù)和潛波層析反演(DWT)淺層速度建模技術(shù),同時(shí)輔以其它配套的處理技術(shù)應(yīng)用,如匹配追蹤插值(MPFI)數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)、水層多次波壓制(DWD)+廣義地表多次波壓制(GSMP)等組合多次波壓制技術(shù)等,設(shè)計(jì)形成氣云區(qū)地震資料處理流程(圖3),從而保障最終的成像質(zhì)量。

2.1　Q值層析反演氣云區(qū)能量吸收衰減補(bǔ)償

氣云區(qū)對(duì)縱波能量吸收衰減嚴(yán)重,直接影響氣云區(qū)成像質(zhì)量。如何對(duì)縱波能量進(jìn)行有效補(bǔ)償是處理的關(guān)鍵。

在偏移過(guò)程中采用Qtomo能量補(bǔ)償技術(shù)對(duì)吸收衰減能量進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)償。補(bǔ)償技術(shù)是一種比較符合地球物理實(shí)際規(guī)律的Q補(bǔ)償方式,該技術(shù)主要利用層析方法對(duì)疊前地震數(shù)據(jù)進(jìn)行等效Q分析,生成空變Q模型,然后在偏移過(guò)程中旅行時(shí)計(jì)算時(shí)更新Q場(chǎng),在深度偏移過(guò)程中進(jìn)行有效Q補(bǔ)償。主要分為以下3步。

1) 利用偏移前地震數(shù)據(jù)估算衰減旅行時(shí)。目前比較典型的算法為地震數(shù)據(jù)屬性分析方法,比如利用地震數(shù)據(jù)的振幅譜[14],或者利用頻移特征[15]。應(yīng)用過(guò)程中,可以根據(jù)地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)和方法的實(shí)用性采用合適的估算方法。

2) 利用衰減旅行時(shí)層析方法在深度偏移中生成空變Q場(chǎng),這是Q值層析反演補(bǔ)償過(guò)程中非常重要的一步。地震波通過(guò)粘彈性介質(zhì)的吸收衰減可以表征為衰減旅行時(shí)的形式:

圖3　氣云區(qū)地震資料處理流程

(1)

式中:t*為衰減旅行時(shí)。對(duì)于給定的速度場(chǎng),假設(shè)射線路徑不受Q場(chǎng)影響,那么可以通過(guò)下面的線性系統(tǒng)來(lái)求解品質(zhì)因子Q的分布。具體過(guò)程需要通過(guò)深度域的動(dòng)力學(xué)射線追蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)

3) 考慮吸收衰減設(shè)計(jì)深度偏移算子,在深度偏移過(guò)程中進(jìn)行模型驅(qū)動(dòng)的Q補(bǔ)償[6,16]。

在網(wǎng)格層析的過(guò)程中,除了得到空變Q場(chǎng),同時(shí)還生成速度模型,基于后續(xù)速度建模的考慮,該研究在第2)步中,采用DWT方法來(lái)實(shí)現(xiàn)衰減旅行時(shí)層析。實(shí)際補(bǔ)償效果如圖4所示,可看出,Qtomo較好地補(bǔ)償了中深層能量,古潛山不整合面地震反射更為清晰。

2.2　潛波層析建立淺層速度模型

地震資料品質(zhì)較好時(shí),反射波層析方法可以生成較準(zhǔn)確的速度模型。但是當(dāng)?shù)卣鹳Y料品質(zhì)較差時(shí),如受氣云區(qū)的影響,地震反射能量較弱、多次波干擾嚴(yán)重、淺層速度橫向變化劇烈,反射波層析生成的速度模型存在較大不確定性。因此,在速度建模過(guò)程中,本文采用DWT技術(shù)和反射波層析技術(shù)相結(jié)合的速度建模方法。利用DWT技術(shù)建立淺層速度模型,將該模型作為反射波層析的初始速度模型來(lái)進(jìn)一步反演中深層速度。

以前DWT方法主要用于處理過(guò)程中靜校正量的計(jì)算[17]。在滿足地層速度隨深度增加逐漸增大的假設(shè)條件下,潛波在地震記錄上以初至波的形式出現(xiàn),表現(xiàn)特征相對(duì)來(lái)說(shuō)清晰可靠,容易識(shí)別。因而利用潛波初至信息可以建立較好的淺部速度模型,克服了反射波層析反演在淺層速度建模中的不確定性。DWT反演是一個(gè)迭代的過(guò)程,它包括初始速度模型的建立、旅行時(shí)計(jì)算和迭代更新[18]。

初始速度模型的建立非常重要,一般而言,速度越平滑迭代越穩(wěn)定,然而平滑時(shí)要綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造特征,速度模型太過(guò)平滑,偏離了真實(shí)速度場(chǎng),那么在有限的迭代次數(shù)下無(wú)法收斂到真實(shí)的速度模型。

圖4　Qtomo能量補(bǔ)償前(a)、后(b)偏移疊加剖面對(duì)比

初至?xí)r間的拾取準(zhǔn)確度直接影響著DWT計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了在背景噪聲中能夠有效地自動(dòng)拾取初至信息,本次處理通過(guò)能量增益、隨機(jī)噪聲壓制等方法提高氣云區(qū)初至波能量。為了確保初至拾取質(zhì)量,在初至拾取后,可以產(chǎn)生多種屬性圖,包括初至?xí)r間與偏移距關(guān)系、初至?xí)r間與炮點(diǎn)關(guān)系等,對(duì)初至信息進(jìn)行有效質(zhì)控。

得到可靠初至后,就可以進(jìn)行DWT反演迭代。選取初始網(wǎng)格為200m×200m,并逐次遞減,通過(guò)層析反演算法減小模型和實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差,得到可靠的近地表速度模型。由圖5可看出,DWT迭代反演出的低速層范圍和地震數(shù)據(jù)中低能量氣云區(qū)域吻合得非常好,隨著迭代次數(shù)增加,速度細(xì)節(jié)更為清晰;由圖6速度切片也可看出低速信息主要集中在淺層,這因?yàn)闅庖话銜?huì)向淺層集中,該現(xiàn)象在本工區(qū)尤為明顯,大部分的氣云都集中在淺部;圖7對(duì)比了反演得到的地震波速度、聲波速度和VSP層速度,可見(jiàn),三者在1km以上深度范圍趨勢(shì)吻合較好。

在地震道集中,由于缺乏淺層反射信息,較難提取出準(zhǔn)確的淺層速度,而利用DWT技術(shù),得到的速度模型與測(cè)井速度趨勢(shì)一致,為后續(xù)反射波層析反演速度建模提供了準(zhǔn)確的淺層初始速度模型。

圖5　DWT不同迭代次數(shù)速度模型對(duì)比a 初始速度模型; b 第一次迭代結(jié)果(200m×200m); c 第二次迭代結(jié)果(100m×100m); d 第三次迭代結(jié)果(50m×50m)

圖6　DWT不同迭代次數(shù)速度模型切片對(duì)比(120m)a 初始速度模型; b 第一次迭代結(jié)果(200m×200m); c 第二次迭代結(jié)果(100m×100m); d 第三次迭代結(jié)果(50m×50m)

圖7　DWT反演速度與3口井的聲波速度和VSP層速度對(duì)比

2.3　其它配套處理技術(shù)研究

2.3.1MPFI數(shù)據(jù)規(guī)則化

分析X油田去噪后數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),該油田數(shù)據(jù)不規(guī)則,主要表現(xiàn)在:反射點(diǎn)位置不在面元中心、偏移距分布不規(guī)則、方位分布不規(guī)則[19-21],且淺層近道數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重。

常用的數(shù)據(jù)規(guī)則化方法是面元均化和加權(quán)補(bǔ)償方法。面元均化技術(shù)通過(guò)向相鄰面元借道補(bǔ)齊缺失道,破壞了地震道坐標(biāo)的真實(shí)性;加權(quán)補(bǔ)償法基于覆蓋次數(shù)或者疊加純波數(shù)據(jù)體能量求取比例因子,但不能彌補(bǔ)所有缺失的偏移距道數(shù)據(jù)。本文采用MPFI技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則化,該方法在數(shù)據(jù)規(guī)則化的同時(shí),可有效避免空間假頻干擾。首先通過(guò)傅里葉變換,將數(shù)據(jù)變換到f-x域。然后對(duì)每一個(gè)頻率成分進(jìn)行防漏頻傅里葉變換[22-25]。不規(guī)則采樣使得傅里葉變換的正交基函數(shù)不正交,使地震能量泄漏到其它的頻率成分上,造成頻譜失真。防漏頻傅里葉變換方法應(yīng)用非均勻傅里葉變換得到不規(guī)則數(shù)據(jù)的頻譜,即:

(3)

假設(shè)造成頻譜泄漏的是頻譜中能量最大的系數(shù)成分,那么先從頻譜中篩選出能量最大的頻率成分,將其進(jìn)行非均勻傅里葉反變換((4)式),再?gòu)脑嫉牟灰?guī)則數(shù)據(jù)中將分離出來(lái)的這個(gè)成分減掉((5)式),之后把余下的數(shù)據(jù)作為新輸入繼續(xù)分離,直到把所有的頻率成分都分離出來(lái),重構(gòu)有效信號(hào)頻譜。

為了防止假頻,保證從頻譜中篩選出的能量最大的頻率成分為有效信號(hào),可以根據(jù)f-k域主要信號(hào)特征,以低頻數(shù)據(jù)的頻譜為先驗(yàn)信息,對(duì)高頻部分進(jìn)行加權(quán)處理。最后將重構(gòu)的頻譜信息反變換到時(shí)空域,生成規(guī)則化后的地震數(shù)據(jù)。

對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,MPFI規(guī)則化技術(shù)有效補(bǔ)償了近偏移距缺失道(圖8),同時(shí)從方差切片(圖9)上可以看出,處理后的數(shù)據(jù)明顯弱化了淺層采集腳印的影響,提高了信噪比。

圖8　規(guī)則化前、后單偏移距剖面對(duì)比a MPFI插值前; b MPFI插值后

圖9　規(guī)則化前、后方差切片對(duì)比a MPFI插值前; b MPFI插值后

2.3.2DWD+GSMP組合多次波壓制

多次波壓制是海上地震資料處理無(wú)法回避的問(wèn)題,多次波產(chǎn)生類型多樣,壓制方法也不盡相同。X油田整體水深30m左右,由于水淺,直達(dá)波初至?xí)r間與海底反射波時(shí)間很接近,在地震資料中難以分辨海底反射信號(hào);同時(shí)最小偏移距遠(yuǎn)大于水深,缺少近偏移距的海底反射信息。此時(shí),直接采用預(yù)測(cè)相減法(如自由表面多次波壓制方法,即SRME方法)不能有效衰減海底多次波[26-28]。因此,本文采用組合多次波壓制技術(shù),首先利用單纜鬼波去除技術(shù)(SSD)去除鬼波,在此基礎(chǔ)上利用DWD+GSMP組合技術(shù)對(duì)多次波進(jìn)行有效壓制。

DWD是一項(xiàng)針對(duì)淺海環(huán)境開(kāi)發(fā)的去除水層多次波技術(shù),可以較好衰減與海底相關(guān)的短周期多次波。在τ-p域中,多次波周期Tm與線性動(dòng)校正量P值的關(guān)系可以表示為:

(6)

式中:Tw為水底雙程時(shí)間;vw為水速;Xref為參考偏移距。

與SRME方法相比,DWD方法對(duì)近道數(shù)據(jù)的要求更低,更易于實(shí)現(xiàn),而且DWD方法基于模型驅(qū)動(dòng)、對(duì)多次波進(jìn)行非線性預(yù)測(cè),能夠較準(zhǔn)確地得到一階和高階多次波振幅值,相比傳統(tǒng)的τ-p反褶積方法它能夠減少對(duì)有效波的傷害。

在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,首先通過(guò)近道自相關(guān)拾取海底反射時(shí)間,然后在τ-p域計(jì)算海底多次波周期,再進(jìn)行自適應(yīng)相減,最后通過(guò)τ-p反變換得到海底多次波模型。從圖10可以看出,利用DWD方法處理后,多次波的能量明顯得到了壓制。值得注意的是,該方法只是設(shè)計(jì)用于預(yù)測(cè)和壓制簡(jiǎn)單多次波和短程層間多次波,所以不能夠?qū)崿F(xiàn)其它復(fù)雜地表多次波或?qū)娱g多次波的壓制。

圖10　DWD前、后疊加剖面對(duì)比a DWD前; b DWD后

三維GSMP基于SRME的基本思路,但不同的是GSMP是在三維數(shù)據(jù)空間通過(guò)更多的道集數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)多次波模型[29-30]。如圖11所示,多次波在空間中具有明顯的三維效應(yīng),除了來(lái)自震源和檢波點(diǎn)的二維線方向外,還來(lái)自側(cè)面反射,因此三維算法可以在一定孔徑范圍內(nèi)找到了更多屬于多次波的能量,建立的多次波模型更能代表復(fù)雜反射情況下的多次波,尤其是多次波模型受空間地質(zhì)因素或是采集等影響而呈現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)時(shí),GSMP利用三維算法,可以模擬預(yù)測(cè)任意道數(shù)據(jù)在三維空間上的各種多次波,并進(jìn)行自適應(yīng)壓制。

圖11　多次波的三維效應(yīng)

在具體計(jì)算時(shí),首先選擇目標(biāo)道。這個(gè)目標(biāo)道由接收點(diǎn)和炮點(diǎn)決定,然后根據(jù)工區(qū)情況決定孔徑,對(duì)于孔徑內(nèi)的每個(gè)網(wǎng)格對(duì)炮點(diǎn)方向和檢波點(diǎn)方向的道進(jìn)行褶積,然后保存結(jié)果,所有網(wǎng)格計(jì)算完成后,疊加前面得到的褶積結(jié)果,然后進(jìn)行下一道的計(jì)算。這樣得到了多次波模型,進(jìn)而在炮域或者共偏移距域進(jìn)行適應(yīng)性相減,得到去除多次波后的數(shù)據(jù)(圖12)。

圖12　GSMP前、后疊加剖面對(duì)比a GSMP前; b GSMP后; c 壓制的多次波能量

3　應(yīng)用效果分析

應(yīng)用該流程對(duì)渤海X油田地震資料進(jìn)行了處理,取得了較好效果。對(duì)比新老地震數(shù)據(jù)剖面發(fā)現(xiàn),新處理數(shù)據(jù)較老資料在斷層成像和氣云區(qū)內(nèi)成像上有較明顯提高(圖13):①新資料提高了花狀斷層的成像效果,在老地震剖面上,氣云區(qū)內(nèi)構(gòu)造不成像,無(wú)法對(duì)斷層進(jìn)行合理解釋,利用新地震資料可以對(duì)氣云區(qū)內(nèi)部的一些斷層進(jìn)行準(zhǔn)確解釋,如圖13a所示;②新資料有效減小了氣云對(duì)地震資料成像的影響范圍,提高了氣云內(nèi)部成像質(zhì)量,可以在一定程度上對(duì)氣云區(qū)內(nèi)的地層產(chǎn)狀進(jìn)行有效解釋;③中深層的成像也得到了明顯改善,尤其是對(duì)于基底界面,老資料幾乎不成像,新資料成像效果有所改善,可以根據(jù)地震響應(yīng)特征進(jìn)行地震解釋。

對(duì)比新老資料的方差切片(圖14)也可以看到新資料改善了氣云區(qū)周邊斷層的成像,雖然氣云區(qū)內(nèi)部仍無(wú)法準(zhǔn)確成像,但是明顯縮小了氣云區(qū)的影響范圍,為后續(xù)地震資料的解釋提供了資料基礎(chǔ)。

圖13　新處理剖面(a)與老剖面(b)對(duì)比

圖14　新處理資料(a)與老資料(b)方差體水平切片對(duì)比

4　結(jié)論

研究表明,通過(guò)優(yōu)化常規(guī)縱波處理流程,對(duì)氣云區(qū)地震資料開(kāi)展針對(duì)性處理,可以明顯改善成像質(zhì)量,提高處理成果的資料品質(zhì)。該處理流程在渤海X油田的應(yīng)用中取得了較好的效果。

1) 能量補(bǔ)償是氣云區(qū)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié),基于Qtomo的能量補(bǔ)償是一種比較符合地球物理實(shí)際規(guī)律的Q補(bǔ)償方法,該方法在偏移過(guò)程中,對(duì)氣云區(qū)地震波能量進(jìn)行有效補(bǔ)償。

2) DWT反演速度建模技術(shù)利用初至波特征清晰可靠、容易識(shí)別的特點(diǎn),可以在地震資料信噪比較差時(shí),建立準(zhǔn)確的淺層速度模型,為反射波層析反演速度建模提供準(zhǔn)確的淺層初始速度。本文聯(lián)合利用DWT和反射波層析進(jìn)行速度建模,取得了較好效果。

3) 配套處理技術(shù)是處理流程設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分,本文通過(guò)MPFI數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù),采用防漏頻傅里葉變換重構(gòu)有效信號(hào),有效預(yù)測(cè)了近偏移距缺失道,弱化了采集腳印,提高了數(shù)據(jù)信噪比;利用DWD+GSMP組合多次波壓制技術(shù),較好地壓制了淺水環(huán)境水體多次波和自由界面多次波。

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